Levensduur van het Higgs boson gemeten: 2,1 x 10-²² seconden

Natuurkundigen van het CMS-experiment, verbonden aan ’s werelds grootste deeltjesversneller, de Large Hadron Collider (LHC) bij Genève in Zwitserland, zijn er in geslaagd om de levensduur van Higgs bosonen te meten. Higgs bosonen zijn het laatste elementaire deeltje van het Standaardmodel dat ontdekt is dat was in 2012) en ze zijn de drager van het Higgsveld, dat in het hele universum aanwezig is. Door de higgsbosonen krijgen alle andere deeltjes massa. Zijn massa is 125 GeV/c², iets wat niet door het Standaardmodel (SM) kan worden voorspeld. Wat die wel kan voorspellen is de levensduur van het Higgs boson. De Higgs bosonen, waarvan het bestaan in 1964 voorspeld werd o.a. door Peter Higgs, kunnen op verschillende manieren ontstaan en ze vervallen na zeer korte tijd weer in andere deeltjes – lees deze Astroblog van tien jaar terug daarover. SM voorspelt dat de levensduur van Higgs bosonen 1,6 x 10-²² seconde is, dat ze na die korte periode in andere deeltjes vervallen, pakweg een biljoenste van een miljardste van een seconde. Maar dat is de theorie. Hoe meet je dat in de praktijk? Hoe meet je iets dat in een biljoenste van een miljardste van een seconde vervalt?

Nou met de Compacte Muon Solenoïde (CMS) detector van de LHC, een gigantisch groot instrument van 21 meter lang, 15 meter doorsnede en een gewicht is ongeveer 14,000 ton, zijn ze daar wonderbaarlijk in geslaagd. Direct meten van de levensduur gaat niet, maar er is een indirecte manier om ‘m te meten en dat is met behulp van de zogeheten massabreedte ^[1]ook wel de Relativistische Breit–Wigner verdeling genoemd, de breedte van de piek van de hoeveelheid geproduceerde Higgs bosonen in relatie tot diens massa. De grafieken laten niet een dun streepje zien bij 125 GeV/c², maar ze hebben een bepaalde breedte, die te maken heeft met Heisenberg’s Onzekerheidsprincipe. Door dat laatste principe, één van de fundamenten van de kwantummechanica, kunnen Higgs bosonen vervallen rondom hun ‘nominale’ massa van 125 GeV/c² (de zogeheten On-shell peak opleverend), maar kunnen ze ook zwaarder zijn dan die 125 GeV/c² en dan in nog kortere tijd vervallen (het zogeheten Off-shell continuum opleverend). Zie de volgende grafiek die dat illustreert, waarbij het Higgs boson vervalt in twee Z bosonen, dat zijn dragers van de zwakke wisselwerking (H > ZZ).

Van belang is te weten dat de verhouding van de productiesnelheid in het massagebied buiten de schil tot die in het gebied op de schil evenredig is met de massabreedte van het Higgs-deeltje en die is weer gekoppeld aan de levensduur van het Higgs boson. Door nu de On-shell peak en het Off-shell continuum te meten wisten de mensen van het CMS-experiment op basis van de gegevens verzameld tijdens Run 2 van de LHC de levensduur te bepalen: 2,1 x 10-²² seconden, met een onzekerheid naar boven resp. naar beneden van (+2,3/-0,9) x 10-²² seconden, een waarde die goed overeenkomt met de voorspelde waarde volgens SM. Bron: Phys.org.